JP2017029137A - Polysensing bioelectronic test plate - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、一般的に、物質を分析するための試験プレート、およびこのような試験プレートに関連するシステムおよび方法に関する。 The present disclosure relates generally to test plates for analyzing materials, and systems and methods associated with such test plates.
生物学、医薬および毒性学における多くの用途は、生理学的に関連する3D環境における細胞の複雑な生物物理学的、生物化学的、機能的特徴のリアルタイムでの検知を伴う。これらの特徴は、正常な状態から疾患状態へと進行する間に、および/または薬物および毒物にさらされたときに、不均一に一時的に変わることがあるため、並行して連続的に細胞(単一の状態で、またはコロニーの状態で)を監視することが望ましい。 Many applications in biology, medicine and toxicology involve real-time detection of complex biophysical, biochemical and functional characteristics of cells in a physiologically relevant 3D environment. These characteristics may change in a non-uniform and temporary manner during progression from a normal state to a disease state and / or when exposed to drugs and toxicants, so that It is desirable to monitor (in a single state or in a colony state).
ある実施形態は、複数のウェルを有し、それぞれのウェルが、分析対象の物質を含むように構成された電子試験プレートに関する。センサは、物質の特徴を検知し、検知された特徴に基づいてセンサシグナルを作成するように構成される。センサは、複数のセンサがそれぞれのウェルと関連するように並べられる。複数のセンサの少なくとも1つのセンサが、複数のセンサの別のセンサによって検知される特徴とは異なる物質の特徴を検知する。センサ選択回路は、センサに接続する。センサ選択回路は、試験プレートに沿って配置された背面の上に並べられる。センサ選択回路によって、選択したセンサのセンサシグナルが背面のデータ出力にアクセスすることができる。ある態様によれば、電子試験プレートは、光学的に透明であるか、または、それぞれのウェルに光学的に問い合わせることができる光学的に透明な領域を有する。 One embodiment relates to an electronic test plate having a plurality of wells, each well configured to contain a substance to be analyzed. The sensor is configured to detect a characteristic of the substance and create a sensor signal based on the detected characteristic. The sensors are arranged so that multiple sensors are associated with each well. At least one sensor of the plurality of sensors detects a characteristic of the substance that is different from a characteristic detected by another sensor of the plurality of sensors. The sensor selection circuit is connected to the sensor. The sensor selection circuit is arranged on a back surface arranged along the test plate. A sensor selection circuit allows the sensor signal of the selected sensor to access the back data output. According to certain embodiments, the electronic test plate is optically clear or has an optically clear area that can optically interrogate each well.
ある実施形態によれば、電子試験プレートは、複数のウェルを有し、それぞれのウェルが、分析対象の物質を含むように構成されている試験プレートを備えている。電子試験プレートのセンサは、物質の特徴を検知し、検知された特徴に基づいてセンサシグナルを作成するように構成される。センサは、複数のセンサがそれぞれのウェルと関連するように並べられる。複数のセンサの少なくとも1つのセンサが、複数のセンサの別のセンサによって検知される特徴とは異なる物質の特徴を検知するように構成されている。試験プレートに沿って延びる背面の上に並べられる電子試験プレートのセンサ選択回路は、センサに接続する。センサ選択回路によって、選択したセンサのセンサシグナルが背面のデータ出力でアクセスすることができる。リードアウト回路は、データ出力に存在する選択したセンサシグナルを受け取り、処理する。 According to one embodiment, the electronic test plate comprises a test plate having a plurality of wells, each well configured to contain a substance to be analyzed. The sensor of the electronic test plate is configured to detect a characteristic of the substance and generate a sensor signal based on the detected characteristic. The sensors are arranged so that multiple sensors are associated with each well. At least one sensor of the plurality of sensors is configured to detect a characteristic of the substance that is different from a characteristic detected by another sensor of the plurality of sensors. A sensor selection circuit of an electronic test plate arranged on a back surface extending along the test plate connects to the sensor. The sensor selection circuit allows the sensor signal of the selected sensor to be accessed with the back data output. The lead-out circuit receives and processes the selected sensor signal present in the data output.
ある実施形態は、電子試験プレートを製造するための方法に関する。この方法は、複数のウェルを有し、それぞれのウェルが分析対象の物質を含むように構成されている、試験プレートを作成することを含む。複数のセンサと、センサに接続したセンサ選択回路とを備える電子回路が製造される。複数のセンサは、物質の特徴を検知し、検知された特徴に基づいてセンサシグナルを作成するように構成される。センサ選択回路によって、背面のデータ出力で選択したセンサのセンサシグナルにアクセスすることができる。センサは、複数のセンサがそれぞれのウェルと関連するようにウェルに対して並べられる。ウェルに関連する複数のセンサは、それぞれ、複数のセンサの別のセンサによって検知される特徴とは異なる物質の特徴を検知するように構成される。 Certain embodiments relate to a method for manufacturing an electronic test plate. The method includes creating a test plate having a plurality of wells, each well configured to contain a substance to be analyzed. An electronic circuit comprising a plurality of sensors and a sensor selection circuit connected to the sensors is manufactured. The plurality of sensors are configured to detect a feature of the substance and create a sensor signal based on the detected feature. The sensor selection circuit allows access to the sensor signal of the selected sensor with the back data output. The sensors are aligned with respect to the well such that multiple sensors are associated with each well. The plurality of sensors associated with the wells are each configured to detect a characteristic of the substance that is different from a characteristic detected by another sensor of the plurality of sensors.
ある実施形態は、試験プレートのウェルに配置された分析対象の物質の複数の特徴を検知することを含む方法を含む。複数の特徴は、それぞれのウェルに関連する複数のセンサを用いて検知される。複数のセンサの少なくとも1つは、複数のセンサの別のセンサによって検知される特徴とは異なる物質の特徴を検知するように構成される。センサシグナルは、時間経過に伴って検知された特徴に基づいて作成される。選択したセンサのセンサシグナルをデータ出力でアクセスすることができるように、アドレスラインを活性化する。 Certain embodiments include a method comprising detecting a plurality of characteristics of an analyte to be analyzed disposed in a well of a test plate. The plurality of features is detected using a plurality of sensors associated with each well. At least one of the plurality of sensors is configured to detect a characteristic of the material that is different from a characteristic detected by another sensor of the plurality of sensors. The sensor signal is created based on features detected over time. The address line is activated so that the sensor signal of the selected sensor can be accessed by data output.
以下の記載は、以下の図面を参照し、ここで、同じ参照番号を使用し、複数の図面で同様の/同じ要素を特定してもよい。特に指示されない限り、図面は、必ずしも縮尺通りではない。 The following description refers to the following drawings, in which like reference numerals may be used to identify similar / same elements in multiple drawings. Unless otherwise indicated, the drawings are not necessarily drawn to scale.
本明細書に開示する実施形態は、複数の試験ウェルを有する試験プレートと、それぞれの試験ウェルに関連する複数のセンサとを備える複数検知型の電子試験プレートを含む。複数のセンサは、試験ウェル中に配置された分析対象の物質の特徴を検知し、検知された特徴に基づいてセンサシグナルを作成する。試験ウェルに関連する複数のセンサの少なくとも1つは、複数のセンサの別のものによって検知される特徴とは異なる物質の特徴を検知することができる。ある実施形態において、センサの1つ以上は、複数の次元において物質の特徴を検知するように構成されてもよい(例えば、2D検知または3D検知)。センサ選択回路は、電子試験プレートのデータ出力で、選択したセンサのセンサシグナルにアクセスすることができる。ある実施形態において、センサ選択回路は、センサ出力にアクセスするための選択ラインによって駆動する、背面の上に配置された薄膜トランジスタ(TFT)のスイッチを備えていてもよい。 Embodiments disclosed herein include a multi-sensing electronic test plate comprising a test plate having a plurality of test wells and a plurality of sensors associated with each test well. The plurality of sensors detect characteristics of the substance to be analyzed disposed in the test well, and create a sensor signal based on the detected characteristics. At least one of the plurality of sensors associated with the test well can detect a characteristic of the substance that is different from a characteristic detected by another of the plurality of sensors. In certain embodiments, one or more of the sensors may be configured to detect material features in multiple dimensions (eg, 2D detection or 3D detection). The sensor selection circuit can access the sensor signal of the selected sensor at the data output of the electronic test plate. In some embodiments, the sensor selection circuit may comprise a thin film transistor (TFT) switch disposed on the back surface that is driven by a selection line to access the sensor output.
ある実施において、それぞれの試験ウェルは、本明細書に開示する電子試験プレートを、質量分光法、原子間力顕微鏡、フーリエ変換赤外線分光法、ラマン分光法、および走査型電子顕微鏡のような他の種類の分析に加え、生きているか、または固定された細胞および組織に問い合わせるさまざまな種類の光学系の分析技術(例えば、光学顕微鏡、スペクトル分析、蛍光タグ化による分析)と組み合わせて使用することができるようにする少なくとも1つの光学的に透明な結合領域を有する。光学系の分析技術は、ラベルを含まない技術と、ラベルに特異的な技術の両方を含んでもよい。ある実施形態において、これらの分析技術を使用し、電子試験プレートの複数のセンサを用いて達成される結果を補助し、および/または確認することができる。本明細書において実施形態に記載する電子試験プレートは、複数のセンサによって複数検知することに加え、種々の分析技術と共に使用するのに適しているだろう。開示する複数検知型の電子試験プレートと組み合わせたときに有用であり得るさらなる分析技術は、Veiseh、Mandana等、「Guided cell patterning on gold−silicon dioxide substrates by surface molecular engineering」、Biomaterials 25(2004)3315−3324、Veiseh、Mandana等、「Effect of silicon oxidation on long−term cell selectivity of cell−patterned Au/SiO2 platforms」、J.AM.CHEM.SOC.128(2006)、1197−1203、およびVeiseh,Mandana等、「Single−cell−based sensors and synchrotron FTIR spectroscopy:A hybrid system towards bacterial detection」、Biosensors and Bioelectronics 23(2007)253−260に開示される。 In certain implementations, each test well can be connected to an electronic test plate as disclosed herein by other methods such as mass spectroscopy, atomic force microscopy, Fourier transform infrared spectroscopy, Raman spectroscopy, and scanning electron microscopy. In addition to the type of analysis, it can be used in combination with various types of optical analysis techniques that interrogate living or fixed cells and tissues (eg, optical microscopy, spectral analysis, fluorescence tagging analysis) Having at least one optically transparent coupling area to allow Optical analysis techniques may include both label-free techniques and label-specific techniques. In certain embodiments, these analytical techniques can be used to assist and / or confirm results achieved using multiple sensors of an electronic test plate. The electronic test plate described in the embodiments herein may be suitable for use with a variety of analytical techniques in addition to multiple sensing by multiple sensors. Additional analytical techniques that may be useful when combined with the disclosed multi-detection electronic test plates are: Veiseh, Mandana et al., “Guided cell patterning on gold-dioxide substratates by surface moleculare 25”, Bioengineering 25, Bioengineering 25 -3324, Veiseh, Mandana et al., “Effect of silicon oxidation on long-term cell selectivity of cell-patterned Au / SiO2 platforms”, J. Am. AM. CHEM. SOC. 128 (2006), 1197-1203, and Veiseh, Mandana et al., “Single-cell-based sensors and synchrotron FTIR spectroscopy: A hybrid system 3-27”.
本明細書に開示する実施形態を使用し、生物学、医薬および環境毒性学における用途のために、生理学的に関連する細胞系の検知における大きなギャップを埋めることもできる。これらの手法は、in vivoの微細環境、個人に合わせた医薬およびヘルスケア分野および毒性分野における検体のスクリーニングの態様を再現する環境における不均質さの生物学的評価および臨床学的評価のための新しいツールを与える。また、これらは、新しい多重バイオマーカー、および固定された細胞に対する静的でラベル特異的な測定によってはうまくいかない一時的/空間的な相関関係、または別個の装置によって、もしくは異なる時間に検知される1種類の態様のバイオマーカーの合計を明らかにするだろう。異なるバイオマーカーを同時に、連続的に監視することができ、大量の並行した細胞センサアレイで多重化することができるため、既存の手法よりもかなり多いデータの注文を集めることができる。これにより、機械が学習するアルゴリズムによって、発生率が低い不均一さ、新しい一時的なシグナル、または表現型のパターンを同定する可能性が増す。たった1つの観点のみが異なる隣接するウェルの比較によって、共通の態様のノイズ拒絶を高いレベルで可能にする差示的な情報を与えることができる。
The embodiments disclosed herein can also be used to bridge large gaps in the detection of physiologically relevant cell lines for applications in biology, medicine and environmental toxicology. These techniques are for in vivo microenvironment, personalized medicine, and biological and clinical evaluation of heterogeneity in an environment that replicates aspects of specimen screening in the healthcare and toxicology fields. Give a new tool. They are also detected by new multiple biomarkers and temporal / spatial correlations that are not successful by static, label-specific measurements on fixed cells, or by separate devices or at
図1Aは、ある実施形態にかかる電子試験プレート100の上面図であり、図1Bは、試験プレート100の一区画の上面図を示し、図1Cは、A−A’面に沿って切断した、試験ウェルと、試験ウェルに関連する複数のセンサの断面図を示し、図1Dは、電子試験プレートの一部の斜視図である。
1A is a top view of an
電子試験プレート100は、試験プレート100の上部表面101より下にz方向に延びるウェル壁部160によって規定される複数の試験ウェル111A〜114Aを有する。図1Aに示される試験ウェル111A〜114Aは、図1Aに示されるように、種々のパターンおよび/または大きさ(例えば、直径および/または深さ)で並んでいてもよい。示されるように、試験プレート100は、4個の区画111〜114を有し、それぞれの区画は、試験ウェル111A〜114Aを有し、試験ウェル111A〜114Aの直径は、区画毎に異なる。ある特定の例において、試験プレート100の区画111にある試験ウェル111Aの直径は、試験プレート100の表面101で直径5mmであり、試験プレート100の区画112にある試験ウェル112Aの直径は、試験プレート100の表面101で直径3.1mmであり、試験プレート100の区画113にある試験ウェル113Aの直径は、試験プレート100の表面101で直径1mmであり、試験プレート100の区画114にある試験ウェル114Aの直径は、試験プレート100の表面101で直径1mmである。試験ウェル114Aは、区画113のパターンよりも密な(面積あたりの試験ウェルの数が多い)パターンで並んでいる。上の例は、試験プレート中の試験ウェルの多くの構成のほんの1つであることが理解されるだろう。さらに、異なる大きさおよびパターンの試験ウェル(例えば、長方形または三角形)を有する試験プレートが可能であるが、多くの用途において、試験プレートは、等しく間隔を開けられた試験ウェルを含み、および/またはそれぞれの試験ウェルが、同じ大きさであり、同じ直径を有する。
The
複数のセンサ120が、それぞれの試験ウェル111A〜114Aと関連している。試験ウェル111A〜114Aと関連する複数のセンサ120は、試験ウェル中の物質の複数の特徴を検知する。それぞれのセンサは、一次元、二次元または三次元で物質の特徴を検知するように構成される。例えば、センサ120の1つ以上は、x方向に沿って試験ウェルの少なくとも一部を横切る物質の特徴を検知するように構成されてもよく、1つ以上のセンサは、さらに、y方向に沿って試験ウェルの少なくとも一部を横切る物質の特徴を検知するように構成されてもよく、1つ以上のセンサは、さらに、z方向に沿って試験ウェルの少なくとも一部を横切る物質の特徴を検知するように構成されてもよく、これにより、時間経過に伴って一次元、二次元、または三次元の検知を行う。
A plurality of
それぞれの試験ウェル111A〜114Aに関連するセンサ120は、異なる種類の複数のセンサの集合の状態で並べられてもよく、センサのそれぞれの集合は、本明細書では「ピクセル」と呼ばれる。ピクセル中のそれぞれのセンサは、本明細書では「サブピクセル」と呼ばれる。あるピクセルのそれぞれの検知するサブピクセルは、そのピクセルの別の検知するサブピクセルによって検出された物質の特徴とは異なる特徴を測定するように構成されていてもよい。「ピクセル」および「サブピクセル」といった用語は、ディスプレイまたは結像デバイスから借りたものであり、この場合、「ピクセル」は、2Dアレイの中で繰り返すことができる検知する検出ユニット(「サブピクセル」)の組み合わせのユニットセルを記述することが理解されるだろう。
The
センサのピクセルおよびサブピクセルは、試験プレートが大きな(例えば、直径が5mmの)試験ウェルを有するか、または小さな(例えば、1mmの)試験ウェルを有するかどうかにかかわらず、背面の上に等間隔のピッチを有していてもよい。小さな試験ウェルと関連するピクセルの数と比較したとき、それぞれのもっと大きな試験ウェルにもっと多くのピクセルが関連していてもよい。ある実施形態において、ピクセルのピッチは、例えば、約300μm程度であってもよい。300μm未満のピクセルピッチ、例えば、ある実施において、約90μm、またはさらに約60μmのピクセルピッチが可能である。 Sensor pixels and sub-pixels are equally spaced on the back surface, regardless of whether the test plate has large (eg, 5 mm diameter) test wells or small (eg, 1 mm) test wells. You may have the pitch of. More pixels may be associated with each larger test well as compared to the number of pixels associated with the small test well. In some embodiments, the pixel pitch may be, for example, on the order of about 300 μm. Pixel pitches of less than 300 μm are possible, for example, in some implementations a pixel pitch of about 90 μm, or even about 60 μm.
達成可能な試験ウェルあたりのピクセルの数および/またはピクセルあたりのサブピクセルの数は、試験ウェルの大きさおよび/またはプレートの寸法に応じて変わる。図1Aは、x軸に沿った幅が25mm、y軸に沿った長さが75mmの試験プレートを示すが、例えば、標準培養プレート(例えば、127.7mm×85.5mm)のような他の寸法も可能である。第1の例の構造において、25mm×75mmの試験プレートは、(試験プレート100の区画111によって示されるように)直径が5mmの円形のx−y断面を有する15個の等間隔の試験ウェルを有し、218ピクセルがそれぞれの試験ウェルと関連していてもよい。第2の例において、25mm×75mmの試験プレートは、(試験プレート100の区画112によって示されるように)50個の等間隔の円形試験ウェルを有していてもよく、それぞれの試験ウェルは、直径が3.1mmであり、80ピクセルがそれぞれの試験ウェルと関連していてもよい。第3の例において、25mm×75mmの試験プレートは、(試験プレート100の区画113によって示されるパターンに並べられる)288個の四角形の試験ウェルを有していてもよく、それぞれの試験ウェルは、y軸に沿った長さが1mmであり、x軸に沿った幅が1mmであり、10ピクセルがそれぞれの試験ウェルに関連していてもよい。第4の例において、25mm×75mmの試験プレートは、(試験プレート100の区画114によって示されるように)592個の等間隔の四角形の試験ウェルを有していてもよく、それぞれの試験ウェルは、長さおよび幅が1mmであり、10ピクセルがそれぞれの試験ウェルに関連していてもよい。第1の例において、それぞれのピクセルが、ピクセルあたり4個の検知するサブピクセルを含んでいると仮定すると、その背面は、3,270個のピクセルと、13,080個のセンサを含み、第2の例において、背面は、4,000個のピクセルと、16,000個のセンサを含み、第3の例において、背面は、2,880個のピクセルと、11,520個のセンサを含み、第4の例において、背面は、5,920個のピクセルと、23,680個のセンサを含む。これらの値は単なる例であり、背面は、もっと多いか、またはもっと少ないピクセルおよびサブピクセルを含んでいてもよい。ある実施形態において、試験プレートは、約40,000個のセンサを与え、40,000個の固有の測定を与えるように構成されていてもよい。
The achievable number of pixels per test well and / or the number of subpixels per pixel varies depending on the size of the test well and / or the dimensions of the plate. FIG. 1A shows a test plate with a width of 25 mm along the x-axis and a length of 75 mm along the y-axis, but other test plates such as standard culture plates (eg, 127.7 mm × 85.5 mm). Dimensions are also possible. In the first example structure, a 25 mm × 75 mm test plate comprises 15 equally spaced test wells having a circular xy cross section with a diameter of 5 mm (as indicated by
ある用途において、ウェル間の距離Sは、試験ウェルの直径(または長さまたは幅)の約5%であってもよい。例えば、幅および長さが1mmの等間隔の四角形の試験ウェルの場合、試験ウェルは、x軸に沿って試験ウェルの幅の20%(0.2mm)空間を開けられていてもよく、y軸に沿って試験ウェルの長さの20%(0.2mm)空間を開けられていてもよい。 In some applications, the distance S between wells may be about 5% of the diameter (or length or width) of the test well. For example, in the case of equally spaced square test wells with a width and length of 1 mm, the test wells may be spaced 20% (0.2 mm) of the test well width along the x-axis, y A 20% (0.2 mm) space of the length of the test well may be opened along the axis.
電子試験ウェルは、図1に示される25mm×75mmの試験プレートより小さくてもよく、または大きくてもよい。本明細書に記載するある実施形態によれば、電子試験ウェルは、集積薄膜トランジスタ(TFT)に基づく電子機器およびアクティブマトリックス電子機器のアドレス指定を含み、低コストでの非常に多数のセンサへの接続と、細胞培養ウェルプレートアレイのための大きな面積のガラススライドを可能にする。集積多重アレイは、わずかなアドレス指定パッドを用い、スライドあたり多くの固有の測定(例えば、ピクセルあたり4つの測定)を可能にし、用途に応じて、さまざまな大きさに容易に拡張可能である。 The electronic test well may be smaller or larger than the 25 mm × 75 mm test plate shown in FIG. According to certain embodiments described herein, an electronic test well includes integrated thin film transistor (TFT) based electronics and active matrix electronics addressing and connection to a large number of sensors at low cost And allows large area glass slides for cell culture well plate arrays. Integrated multiple arrays allow for many unique measurements per slide (eg, 4 measurements per pixel) with few addressing pads and can be easily expanded to various sizes depending on the application.
これらの例は、説明のために提示され、読者は、他の寸法の試験プレート、他のパターン、断面形状(例えば、長方形、三角形)、大きさおよび空間を有する試験ウェル、それぞれの試験ウェルに関連する他の数のセンサが可能であり、本開示の範囲に入ることを理解するだろう。 These examples are presented for illustrative purposes, and readers can place test plates in other dimensions, other patterns, cross-sectional shapes (eg, rectangles, triangles), test wells with size and space, each test well It will be appreciated that other numbers of related sensors are possible and are within the scope of this disclosure.
図1Cから最もよくわかるように、ある実施形態において、電子試験プレート100は、ウェルの中に物質を保持し、物質の汚染を減らすか、または防ぐためにキャップ層102を備えていてもよい。ある構成において、キャップ層は、試験ウェルの上に配置された個々のキャップのパターン化された層を含む。他の構成において、キャップ層は、試験プレートの上部表面の上に広がる連続した層である。キャップ層は、透明材料、例えば、ポリカーボネートまたはポリスチレンのような透明なプラスチックを含んでいてもよい。
As best seen in FIG. 1C, in certain embodiments, the
図1A〜1Dに示される電子試験プレート100は、多くの材料層を含む構造である。電子試験プレート100は、上に配置されるさらなる層を機械的に支える基材151を備えている。ある実施において、基材151は、z方向に沿った厚みが800μmのガラスまたは他の光学的に透明な材料を含んでいてもよい。電子試験プレート100の取扱いを容易にするのに十分な機械的な頑丈さおよび/または光学分析技術を用いた電子試験プレートの使用を容易にするのに十分な光学的な透明性が可能である限り、基材に他の厚みおよび/または材料を使用してもよい。
The
物質と接する電子試験プレート、キャップ層および試験プレートの任意の部分は、放射線、気体、化学物質または熱滅菌のような一般的な技術を用いて滅菌されていてもよく、または直列化可能であってもよい。 Any portion of the electronic test plate, cap layer and test plate that contacts the material may be sterilized using common techniques such as radiation, gas, chemicals or heat sterilization, or can be serialized. May be.
背面152は、基材151の上に配置され、その間に電気接続を用いて電子機器を形成する複数のサブ層を含んでいてもよい。ある実施形態において、背面は、z方向に沿った厚みが約5μm程度であってもよい。背面152は、試験ウェル111A〜114Aに関連するセンサ120と、センサにアクセスする回路130(例えば、スイッチ)を備えている。ある実施形態において、背面152は、さらなる電子回路、例えば、シグナル処理回路、制御回路、メモリ回路および/または通信回路、例えば、本明細書でさらに詳細に記載する有線または無線の通信回路も含んでいてもよい。ある実施形態において、背面152は、例えば、エッジカードコネクタとして並べられる電気接続135も備えており、これを使用し、電子試験プレート100のセンサおよび/または他の回路を別のデバイス(例えば、ホストプロセッサ100)に通信可能に接続する。
The
このデバイスは、それぞれのウェルに光学的に問い合わせることができる光学的に透明な領域を含む。背面152の上にある電子機器は、背面を通り、ウェルへと光を通過させるように、薄膜電子機器、例えば、光学的に透明の半導体および/または光学的に薄い金属または光学的に透明の導電体、例えば、インジウムスズオキシド(ITO)を含む薄膜トランジスタ(TFT)を含んでいてもよい。種々の光学分析技術(例えば、光学顕微鏡など)を用いた電子試験プレートの使用を容易にするために、背面は、それぞれの試験ウェルと背面との界面で少なくとも光学的に透明である。ある実施形態において、背面全体が光学的に透明である。ある実施形態において、背面の一部、例えば、試験ウェルの間の領域は、光学的に不透明である。ある実施形態において、背面全体が、光学的に不透明であってもよい。種々の構成において、電子試験プレートは、ウェルの上部および底部のいずれかまたは両方から光学的に問い合わせることができる。 The device includes an optically clear region that can optically interrogate each well. The electronics on the back 152 are thin film electronics, such as optically transparent semiconductors and / or optically thin metals or optically transparent, to allow light to pass through the back and into the well. A conductor, for example, a thin film transistor (TFT) containing indium tin oxide (ITO) may be included. In order to facilitate the use of electronic test plates with various optical analysis techniques (eg, optical microscopes, etc.), the back surface is at least optically transparent at the interface between each test well and the back surface. In certain embodiments, the entire back surface is optically transparent. In certain embodiments, a portion of the back surface, eg, the area between the test wells, is optically opaque. In certain embodiments, the entire back surface may be optically opaque. In various configurations, the electronic test plate can be interrogated optically from either or both of the top and bottom of the well.
試験プレート層153は、例えば、z方向の厚みが約1500μm程度であり、背面152の上に配置される。ある実施形態において、試験プレート層153の材料は、試験ウェル111A〜114Aを形成するようにパターン形成することができるプラスチックまたは他の材料を含んでいてもよい。試験ウェル111A〜114Aは、上部電気接続層154と背面152との間に延びるウェル壁部160によって規定される。上部電気接続層154は、導電性層であり、金属(例えば、金)、金属アロイまたは他の導電性材料を含んでいてもよい。上部電気接続層154は、試験プレート層153の上に配置され、試験ウェル壁部の少なくとも一部を共形コーティングする。試験プレート層153は、z方向に沿った厚みが約1500μm程度であってもよい。上部電気接続層は、薄い金属(例えば、金)または他の導電性材料であってもよい。例えば、z軸に沿った上部電気接続の厚みは、約0.1〜約1μmの範囲であってもよい。
For example, the
ある実施形態において、試験プレート層153は、背面152の上に直接形成され、この構造は、本明細書で一体型の電子試験プレートと呼ばれる。他の実施形態において、ウェル層153と背面は、それぞれ別個に製造され、ウェル層153を背面152に結合する。試験ウェルは、試験ウェル内で培養する細胞の3D成長を容易にするために、ヒドロゲル(例えば、3Dラミニンリッチゲル、例えば、コーニング、NYにあるCorning,Inc.から入手可能なMATRIGEL、またはゲイサーズバーグ、MDにあるTrevigen,Inc.から入手可能なCULTREX BME)を含んでいてもよい。分析対象の物質としては、三次元環境で成長する生きた細胞、細菌、ウイルス、真菌、微生物、細胞内コンパートメント、エキソソーム、分子、高分子、酵素または組織の成分が挙げられるだろう。
In certain embodiments, the
分析対象の物質は、生きた細胞および/または組織の成分、例えば、ヒドロゲル中で成長するものを含んでいてもよい。組織の成分は、異なる細胞型のタンパク質、糖類、脂肪、炭水化物などを含む細胞外物質で構成されていてもよい。例えば、癌組織は、癌細胞、免疫細胞、神経細胞、線維芽細胞などと、多くの無細胞成分とで構成される。ある実施形態において、試験対象の物質は、体液または体液細胞を含んでいてもよい。 The substance to be analyzed may include components of living cells and / or tissues, such as those that grow in a hydrogel. Tissue components may be composed of extracellular materials including proteins, saccharides, fats, carbohydrates, etc. of different cell types. For example, cancer tissue is composed of cancer cells, immune cells, nerve cells, fibroblasts, and many cell-free components. In certain embodiments, the substance to be tested may include body fluids or body fluid cells.
培地は、試験対象のそれぞれの物質に特異的であり、例えば、細胞培養物に栄養物質、血清および/または抗生物質を与える。培地のいくつかの例は、DMEM(ダルベッコ変法イーグル培地)、最小必須培地(MEM)であり、血清の例は、それぞれの細胞型を培養するのに必要な他の生化学的必要性に加え、ウシ胎児血清(FBS)である。 The medium is specific for each substance to be tested, for example, providing the cell culture with nutrients, serum and / or antibiotics. Some examples of media are DMEM (Dulbecco's Modified Eagle's Medium), Minimum Essential Medium (MEM), and serum examples are for other biochemical needs needed to culture each cell type. In addition, fetal bovine serum (FBS).
ある実施形態において、ピクセルあたり複数の(例えば、4個の)サブピクセルセンサを有することが有用であるが、もっと多いか、またはもっと少ないサブピクセルセンサが可能である。4個のサブピクセルセンサとしては、例えば、インピーダンスセンサ、化学物質(pH)センサ、音響センサおよび光学センサが挙げられるだろう。図2Aは、上述の4個のサブピクセルセンサを備える1個のピクセルの近傍にある背面295の一部の上面図である。図2Bは、試験ウェルと、試験プレート290の背面295の一部の側面断面図である。試験ウェル270Aは、9個のピクセルを含み、9個のピクセルのうち3個が、この断面図に示されており、それぞれのピクセルが4個のサブピクセルセンサを有する。図2Fは、9個のピクセルを示す図2Bの試験ウェル270Aを備える試験プレート290の上面図である。
In certain embodiments, it may be useful to have multiple (eg, four) subpixel sensors per pixel, although more or fewer subpixel sensors are possible. The four subpixel sensors may include, for example, an impedance sensor, a chemical (pH) sensor, an acoustic sensor, and an optical sensor. FIG. 2A is a top view of a portion of the
ここで図2Aを参照すると、ピクセル200は、背面295の上に配置された4個のサブピクセルセンサを有する。センサとしては、電気センサ、例えば、インピーダンスセンサ、化学物質センサ、音響センサおよび光学センサが挙げられる。この例において、インピーダンスセンサは、x方向、y方向および/またはz方向に沿って、物質の横方向のインピーダンスの検知を容易にする互いにかみ合った電極211、212を備えている。化学物質センサは、pHセンサを含み、pHを検知するTFT221を含む。音響センサは、図2Bに示される圧電超音波変換器261および圧電性膜262と組み合わせて使用される集積された圧電センサ231を備えている。光学センサは、感光性PINダイオード241を備えている。ピクセル200は、選択したセンサのシグナルへのアクセスを容易にするように構成されたTFT回路251も備えている。
Referring now to FIG. 2A, the
図2Bは、試験ウェル層275と背面295を備える電子試験プレートの一部の断面図を示す。試験ウェル層275は、分析対象の物質が入った試験ウェル270Aを有し、この実施例において、分析対象は、細胞コロニー299の周囲の無細胞環境である3Dゲル298の中で成長する細胞コロニー299である。この例において、試験ウェル270Aは、背面295の9個のセンサピクセルと関連する(図2Cを参照)。図2Bは、断面図において、上述のセンサピクセル200と同様の4個のサブピクセルセンサをそれぞれ含む3個のセンサピクセル200A、200B、200Cを示す。それぞれのセンサピクセル200A、200B、200Cは、インピーダンスセンサ、pHセンサ、音響センサおよび光学センサを含む。ピクセル200A、200B、200Cのインピーダンスセンサは、互いにかみ合った電極271A、271B、271Cを備え、pHセンサは、pHを検知するTFT221A、221B、221Cを備え、音響センサは、圧電性膜超音波変換器261および圧電性膜262と組み合わせて用いられる集積された圧電センサ231A、231B、231Cを備え、光学センサは、感光性PINダイオード241A、241B、241Cを備えている。試験ウェル270Aは、試験ウェル270Aの底部表面265から上側に延びる試験ウェル壁部260によって規定される。壁の表面260の上に配置され、壁の表面260を少なくとも部分的に覆うのは、z方向に沿ったインピーダンスの検知を容易にする金接触層280である。ある実施形態において、z方向に沿ったインピーダンスを検知するために、ピクセル200A〜Cの1つ以上のインピーダンスセンサのために金接触層280を使用してもよい。
FIG. 2B shows a cross-sectional view of a portion of an electronic test plate that includes a
上述のように、種々の実施形態の電子試験プレートに使用するのに適した電気インピーダンスセンサは、背面の上部表面に配置され、試験ウェル中の物質に露出する、互いにかみ合った第1の電極と第2の電極を備えていてもよい。第1および第2の互いにかみ合った電極211、212(図2Aおよび2Bを参照)を使用し、xy面で横方向のインピーダンスを検知することができる。インピーダンスセンサは、導電性接触層、例えば、金接触層280を第3の電極として備えていてもよい。試験ウェル中のそれぞれのインピーダンスセンサは、第1の電極211と第3の電極280の間および/または第2の電極212と第3の電極280の間の垂直方向のインピーダンスを検知することができる。図2Aおよび2Bに示される第1の電極211、第2の電極212および第3の電極280の配置によって、x軸、y軸およびz軸に沿った電気インピーダンスを3D検知する。横方向および/または垂直方向の電気インピーダンスの検知を使用し、横方向および垂直方向の電気インピーダンススペクトル、例えば、周波数の関数としてのインピーダンスZ(ω)を決定することができる。測定された横方向および/または垂直方向の電気インピーダンスを使用し、細胞数および/または細胞の生存能力を決定してもよい。細胞が死ぬと、細胞膜の一体性、極性および細胞の形態が変化し、異なるインピーダンス値が得られる場合がある。垂直方向の電極を通る電気インピーダンスまたは横方向の互いにかみ合った電極を横切る電気インピーダンスを測定することによって、細胞の生存能力を監視することができ、生存能力は、インピーダンスの変化と相関関係にあると予想される。ある場合に、ある種の細胞型において、0.1Vの電位を加えてもよく、インピーダンスの大きさを500Hzから10kHzまで測定してもよい。ある場合には、検出限界およびダイナミックレンジは、1KHz〜1MHzの周波数範囲で|Z|<50オームおよびθが〜0.50の感度を含む。
As described above, an electrical impedance sensor suitable for use in the electronic test plates of the various embodiments includes an interdigitated first electrode disposed on the upper back surface and exposed to material in the test well. A second electrode may be provided. The first and second
種々の実施形態の電子試験プレートに使用するのに適した化学物質pHセンサは、薄膜トランジスタのイオン感受性窒化ケイ素ゲートを備えていてもよい。このようなセンサを使用し、例えば、細胞外のpH値を測定することができる。ある場合には、応答時間が1分未満、pH0.05〜0.1、pH4.0〜8.0の感度範囲を有するようにpHセンサを製造することができる。 A chemical pH sensor suitable for use in the electronic test plates of various embodiments may comprise an ion sensitive silicon nitride gate of a thin film transistor. Using such a sensor, for example, the extracellular pH value can be measured. In some cases, the pH sensor can be manufactured to have a response time of less than 1 minute, a sensitivity range of pH 0.05-0.1, pH 4.0-8.0.
種々の実施形態の電子試験プレートの試験ウェル中の音響エミッタ/センサ262は、試験ウェル中の物質を音響によって3D検知することができる。適切な音響エミッタ/センサは、薄膜圧電センサ、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)材料から作られるもの、またはピクセル周囲に成形される電歪容量性のもの、例えば、金属化されたシリコーンから作られたものを含んでいてもよい。圧電エミッタ/センサは、圧電エミッタ261および圧電性膜262によって作られる波を検知するように構成される。例えば、ある構成において、圧電性膜トランスミッタは、細胞コロニー299と3Dゲル298との間の界面から反射した(エコーした)パルス化された超音波を作成する。圧電センサは、トランスデューサ262に接続した増幅器(図示せず)を用い、遅延したエコーを増幅させることによって、反射した波を検知する。音の検知のための飛行時間技術を使用し、細胞/ゲルの界面の位置を決定してもよい。時間t1で検出された細胞−ゲルの界面の第1の位置を、時間t2で検出された細胞−ゲルの界面の第2の位置と比較することによって、細胞培養物の運動度の特徴(例えば、運動度、速度および/または加速度など)を決定することができる。細胞の運動度は、化学勾配を作り出すことによって、および/または細胞から所定の距離に化学物質誘発剤を加えることによって誘発してもよい。音響センサは、±100μmのz位置の感度、1〜30MHzの操作周波数での100nsecのパルスエコー解像度、を有し、100μm−1cmのz軸浸透度を与えてもよい。例えば、ある実施形態において、パルスエコーのタイミングで音響プローブ探索を使用し、垂直方向の細胞コロニーの位置を連続的に測定してもよい。
The acoustic emitter /
種々の実施形態にかかる電子試験プレートに適した光学検出器は、試験ウェルの背面および底部に並べられた少なくとも1つの薄膜PINダイオードを備えている。ある実施形態において、ピクセルあたり、複数の薄膜PINダイオードを使用してもよく、例えば、約4個が列に並んでいてもよい。光学検出器は、例えば、試験プレートの上部表面または底部表面から試験対象の物質を通って光を発するように並んだ光源によって生成した光を検知するように構成される。光が試験ウェルを横切って流れるにつれて、光は、試験ウェルの中の材料と相互作用する。例えば、光源によって発せられる光は、細胞および/または組織の構造によって吸収され、散乱され、および/または反射されてもよい。試験ウェル中の材料と相互作用した光は、光学検出器によって検知され、これを使用し、細胞の光学密度を決定してもよく、細胞の光学密度から細胞数を決定することができる。さらに、光学センサのシグナルを使用し、第1の時間に検出した光と、その後の第2の時間に検出した光とを比較することによって、横方向の細胞の運動度を決定してもよい。ある実施形態において、薄膜PINダイオード検出器は、感度が約3000光子、104〜約108光子程度であってもよいが、異なる照射源を使用し、他のセンサの感度も可能である。ある実施において、検出器は、応答時間が約100μsec未満であってもよい。 An optical detector suitable for an electronic test plate according to various embodiments comprises at least one thin film PIN diode aligned on the back and bottom of the test well. In some embodiments, multiple thin film PIN diodes may be used per pixel, for example, about 4 may be arranged in a row. The optical detector is configured to detect light generated by, for example, a light source arranged to emit light from the top or bottom surface of the test plate through the material under test. As light flows across the test well, the light interacts with the material in the test well. For example, light emitted by a light source may be absorbed, scattered, and / or reflected by the structure of cells and / or tissues. The light that interacts with the material in the test well is detected by an optical detector and can be used to determine the optical density of the cells, and the cell number can be determined from the optical density of the cells. Further, the lateral cell motility may be determined by using the optical sensor signal and comparing the light detected at the first time with the light detected at the second time thereafter. . In some embodiments, the thin film PIN diode detector may have a sensitivity on the order of about 3000 photons, 10 4 to about 10 8 photons, although different illumination sources are used and other sensor sensitivities are possible. In certain implementations, the detector may have a response time of less than about 100 μsec.
ある実施形態において、1つ以上の酸素センサが、試験ウェルと関連していてもよい。これを使用し、その環境で、低酸素の癌細胞または低酸素症を特定してもよい。低酸素で酸性の条件は、変異、染色体の不安定化、自然発生的な変換、アポトーシスへの耐性が増加し、細胞の侵襲およびメタセシスが増加することと関係がある。図2Cは、1つの試験ウェルと関連していてもよい9個のピクセル281〜289の上面図である。ピクセル281〜288は、図2Aに示されるピクセル200と同様であり、すでに記載した4個のサブピクセルを有する。ピクセル289は、溶解した酸素センサ252を含み、図2Dおよび図2Eの平面図にもっと詳細に示され、図2Eは、断面図にピクセル288、289および284を示す図である。ある実施形態において、酸素センサ289は、プロトン交換膜(例えば、Nafion)に基づいていてもよい。Nafionは、プロトン交換膜の一種であり(ポリマー電解質膜とも呼ばれる)(PEM)、半透過性であり、プロトン(H+)を伝導するように設計される。Nafionは、Dupontから薄膜の形態で市販されている。試験ウェル中に酸素センサとして実装される場合、Nafionまたは他の種類の固体電解質253は、ウェル中の電極266〜268の上にコーティングされるか、または熱によって密着され、酸素透過性膜252(例えば、PTFE)が、固体電解質253の上部にコーティングされる。酸素センサの電極は、参照電極266、作業電極267、対となる電極268を含む。細胞培養マトリックスに溶解したO2は、酸素透過性膜252を通り、固体電解質253(例えば、Nafion)へと透過し、この場で、O2は、還元反応を受ける(すなわち、O2+4H++4e→2H2O)。この還元反応の流れは、作業電極267および対となる電極268によって測定され、参照電極268と作業電極267の間の電圧も測定される。
In certain embodiments, one or more oxygen sensors may be associated with the test well. This may be used to identify hypoxic cancer cells or hypoxia in the environment. Hypoxic and acidic conditions are associated with increased mutation, chromosomal destabilization, spontaneous transformation, resistance to apoptosis, and increased cellular invasion and metathesis. FIG. 2C is a top view of nine pixels 281-289 that may be associated with one test well. Pixels 281-288 are similar to
図2Fは、同一の試験ウェル270B、270Cおよび270Dと共に図2Bの試験ウェル270Aを備える電子試験プレート290の一部の上面図を示す。背面295は、同一のセンサピクセル200a〜200iの繰り返しパターンを有する。それぞれのセンサピクセル200a〜200iは、例えば、4個のサブピクセルセンサを含んでいてもよい。この例において、それぞれの試験ウェル270A〜270Dは、9個のセンサピクセルと、36個のセンササブピクセルを備えている。この構成は、説明のために与えられ、もっと多いか、またはもっと少ないピクセルおよびサブピクセルと関連する、もっと多いか、またはもっと少ない試験ウェルを有する電子試験プレートが可能であることが理解されるだろう。
FIG. 2F shows a top view of a portion of an
図2Fに示されるように、試験プレートは、試験ウェルピッチPウェル1を有し、試験ウェルピッチは、試験ウェル間の中心から中心までの距離である。背面は、ピクセルピッチPピクセルを有し、ピクセルピッチは、ピクセル間の中心から中心までの距離である。図2F〜2Hに示されるように、試験プレートの上の試験ウェルのピッチは、背面のセンサピクセルのピッチと異なっていてもよく、または同じであってもよい。図2Fは、試験ウェルピッチPウェル1よりも小さなピクセルピッチPピクセルを有する背面の上面図を示し、それぞれの試験ウェルは、9個のセンサピクセルを含む。図2Gは、Pウェル1より小さく、背面ピッチPピクセルより大きな試験ウェルピッチPウェル2を有する試験プレートを備える同じ背面の上面図を示し、それぞれの試験ウェルは、4個のセンサを備えている。図2Hは、試験ウェルピッチPウェル3と同じピクセルピッチPピクセルを有する同じ背面を示し、それぞれの試験ウェルは、1個のセンサピクセルを含む。電子試験プレートが、試験プレート全体にわたって一定のピクセルピッチまたは一定の試験ウェルピッチを有する必要はないことが理解されるだろう。ある実施形態において、電子試験プレートは、多くの異なるピクセルピッチが並べられたセンサピクセルを含む背面を有していてもよく、試験プレートの上の試験ウェルも、多くの異なる試験ウェルピッチを含んでいてもよい。試験ウェルの幅の寸法は、同じTFT背面を用いつつ、従来の大きなウェル(例えば、5mm)から、ウェル幅の寸法が数百ミクロンのものまで、さまざまであってもよい。例えば、300μmピッチの複数検知型のピクセルを有する大きなウェル(例えば、直径が5mmのウェル)を用いると、300μmピッチの複数検知型のピクセルを有する小さなウェル(例えば、直径が400μmのウェル)を用いたときのウェルあたりのピクセルの数と比較して、ウェルあたり大量の複数検知型のピクセルが得られるだろう。 As shown in FIG. 2F, the test plate has a test well pitch P- well 1 , where the test well pitch is the center-to-center distance between the test wells. The back side has a pixel pitch P pixels , the pixel pitch being the center-to-center distance between pixels. As shown in FIGS. 2F-2H, the pitch of the test wells on the test plate may be different from or the same as the pitch of the back sensor pixels. FIG. 2F shows a top view of the backside with a pixel pitch P pixel smaller than the test well pitch P well 1 , each test well including nine sensor pixels. FIG. 2G shows a top view of the same back with a test plate having a test well pitch P- well 2 smaller than P- well 1 and larger than back-pitch P pixels , each test well having four sensors. . FIG. 2H shows the same backside with the same pixel pitch P pixel as the test well pitch P well 3 , each test well containing one sensor pixel. It will be appreciated that the electronic test plate need not have a constant pixel pitch or a constant test well pitch throughout the test plate. In certain embodiments, the electronic test plate may have a back surface that includes sensor pixels arranged in many different pixel pitches, and the test well on the test plate also includes many different test well pitches. May be. The width of the test well can vary from a conventional large well (eg, 5 mm) to a well width of a few hundred microns, using the same TFT back surface. For example, if a large well having a 300 μm pitch multi-detection type pixel (for example, a well having a diameter of 5 mm) is used, a small well having a 300 μm pitch multi-detection type pixel (for example, a well having a diameter of 400 μm) is used. Compared to the number of pixels per well at the time, there will be a large number of multiple sensing pixels per well.
ある実施形態において、例えば、パターン形成されたプラスチックを用いてTFT背面の上部に直接的に試験ウェルの構造を製造し、一体型の電子試験プレートを作成することができる。ある実施形態において、試験プレートをTFT背面に結合した後、試験プレートおよび背面を別個の構造として製造することができる。 In some embodiments, for example, a patterned plastic can be used to fabricate the test well structure directly on top of the TFT back to create an integrated electronic test plate. In some embodiments, after the test plate is bonded to the TFT backside, the test plate and backside can be manufactured as separate structures.
図3A〜3Dは、異なるウェルの大きさおよび材料を用いて製造された電子試験プレートのプロトタイプの写真である。図3Aは、TFT背面の上に90μmの複数検知型のピクセル回路を製造する能力を示す。図3Bは、高アスペクト比のウェルを製造するためのSU−8フォトレジストの使用を示す。図3Cは、製造された10μmのSiマイクロウェルの写真である。図3Dは、手動でのピペット使用によって3Dラミニンリッチゲルに簡単に置くことができ、3Dの埋め込まれた培地に8日間まで細胞を生きたまま保持することができる5mmのヒドロゲル試験ウェルの写真である。ある設計において、Siの代わりにガラスおよび/または射出成形されたプラスチックを使用して試験ウェルを作成してもよく、ガラスまたはプラスチックは、セルの壁の安定性を高める。 FIGS. 3A-3D are photographs of prototypes of electronic test plates fabricated using different well sizes and materials. FIG. 3A illustrates the ability to fabricate a 90 μm multi-sensing pixel circuit on the TFT backside. FIG. 3B illustrates the use of SU-8 photoresist to produce high aspect ratio wells. FIG. 3C is a photograph of a manufactured 10 μm Si microwell. FIG. 3D is a photograph of a 5 mm hydrogel test well that can be easily placed on a 3D laminin-rich gel by manual pipette use and can keep cells alive for up to 8 days in 3D embedded media. is there. In one design, test wells may be created using glass and / or injection molded plastic instead of Si, which increases the stability of the cell walls.
試験ウェルへのゲルおよび細胞の投入は、Au領域(上側および側面の壁)をピペットで採取するか、またはPEG−チオールのような生体適合性コーティングでAu領域を不動態化し、ウェルの底部をラミニンリッチゲルで活性化する(細胞溶液にさらされる前に、ゲル溶液に4℃で浸漬し、37℃でスピンコーティングする)ことによって達成することができる。ある実施形態において、ウェル内部で重合によってゲルが系中で生成してもよい。ゲル、細胞または細胞培地の選択的な送達は、光学顕微鏡によって評価することができる。 Loading gels and cells into the test wells can be accomplished by pipetting the Au region (top and side walls) or passivating the Au region with a biocompatible coating such as PEG-thiol and removing the bottom of the well. It can be achieved by activating with a laminin rich gel (immersion in gel solution at 4 ° C. and spin coating at 37 ° C. before exposure to cell solution). In certain embodiments, gels may be generated in the system by polymerization within the wells. Selective delivery of gels, cells or cell culture media can be assessed by light microscopy.
図3Eおよび3Fは、それぞれ、薄い金がコーティングされたガラススライドおよびケイ素の上のMDA−MB−231細胞の例示的な3D培養物を示し、金の上で成長しやすく、星形の構造を生成することを示している。 FIGS. 3E and 3F show exemplary 3D cultures of MDA-MB-231 cells on thin gold coated glass slides and silicon, respectively, which are easy to grow on gold and have a star-shaped structure. It shows that it generates.
図4Aは、インピーダンスセンサ、pHセンサ、光学センサおよび音響センサからのセンサシグナルを与えるように実施することができる例示的なTFTサブピクセル検知回路およびセンサ選択回路の模式図を与える。この例において、複数検知型のピクセルのための例示的なセンサ選択回路は、垂直方向の電気インピーダンス、横方向の電気インピーダンス、局所的なpH検知、光学強度および音響応答の5つの問い合わせ関数を有する。 FIG. 4A provides a schematic diagram of an exemplary TFT subpixel sensing circuit and sensor selection circuit that can be implemented to provide sensor signals from impedance sensors, pH sensors, optical sensors, and acoustic sensors. In this example, an exemplary sensor selection circuit for a multi-sensing pixel has five query functions: vertical electrical impedance, lateral electrical impedance, local pH sensing, optical intensity, and acoustic response. .
垂直方向の電気インピーダンスを問い合わせるために、例えば、これらのラインに対する電圧をオフ状態からオン状態の電圧まで上げることによって、Row_Imp_Select1またはRow_Imp_Select2のいずれかを選択することができる(例えば、オフ状態は、約5Vであってもよく、オン状態の電圧は、約+15Vであってもよい)。これらのラインに対する電圧を上げると、トランジスタM4またはM6がオン状態になる。互いにかみ合った電極の片方が、M1またはM2およびカラムソースラインI_Source+またはI_Source−によって外部の電流源に電気的に接続する。電流が、電極、問い合わせるセルおよび共通の電極面を通って流れる(例えば、図2Bに示される金接触層280)。検知する電極の電圧は、リードアウトソースフォロワーTFT(M3またはM5)によってサンプリングされ、バッファリングされ、シグナルがデータラインに現れるだろう(Data_Imp1またはData_Imp2)。I_source+およびI_source−は、振幅および周波数のスイープ関数を与える外部の関数作成器によって制御することができる。電極の電位がソースフォロワーM3またはM5によってバッファリングされ、増幅されるため、シグナルの劣化および隣接するピクセルの間のクロストークを小さくすることができ、例えば、無視できる量まで下げられるだろう。励起(I_Source)およびリードアウト(Data_Imp)のためにロックイン増幅器を使用し、ノイズおよび干渉をさらに減らし、感度を高めることもできる。
To interrogate the vertical electrical impedance, either Row_Imp_Select1 or Row_Imp_Select2 can be selected, for example by raising the voltage on these lines from the off state to the on state voltage (eg, the off state is approximately 5V, and the on-state voltage may be about + 15V). Increasing the voltage on these lines turns on transistor M4 or M6. One of the interdigitated electrodes is electrically connected to an external current source by M1 or M2 and the column source line I_Source + or I_Source−. Current flows through the electrode, interrogating cell, and common electrode surface (eg,
横方向のインピーダンスを問い合わせるために、Row_Imp_Select1およびRow_Imp_Select2を両方とも同時にオン状態にし、トランジスタM4およびM6をオン状態にする。次いで、励起電流は、TFT M1を通り、電極、セル、電極、TFT M2に流し、次いで、I_source−に流れるだろう。2つの互いにかみ合った電極の間の電圧差は、M5およびM3によってバッファリングされ、トランジスタM4およびM6によって読み出される。横方向のインピーダンスシグナルは、データラインData_Imp1およびData_Imp2に現れるだろう。 To interrogate the lateral impedance, both Row_Imp_Select1 and Row_Imp_Select2 are turned on simultaneously, and transistors M4 and M6 are turned on. The excitation current will then flow through TFT M1 to the electrode, cell, electrode, TFT M2, and then to I_source-. The voltage difference between the two interdigitated electrodes is buffered by M5 and M3 and read by transistors M4 and M6. Lateral impedance signals will appear on the data lines Data_Imp1 and Data_Imp2.
イオン濃度(例えば、溶液中のH+濃度)を測定するイオン感応性電界効果型薄膜トランジスタ(pH TFT)によって、局所的なpH値を検知することができる。トランジスタを流れる電流は、イオン濃度の関数として変化する。Data_pHラインでpHシグナルを読み出すために、Row_pH_light_SelectによってTFT M8をオン状態にしつつ、他のRowの選択はオフのままにする。 A local pH value can be detected by an ion sensitive field effect thin film transistor (pH TFT) that measures the ion concentration (eg, H + concentration in solution). The current flowing through the transistor varies as a function of ion concentration. In order to read out the pH signal on the Data_pH line, the Row M is turned on by Row_pH_light_Select while the other Row selections are kept off.
集積された感光性PINダイオードD1を使用し、ウェルの不透明度を監視することができる。ウェル底部での光のレベルを読み出すために、Row_pH_light_SelectラインをTFT M9でオン状態にし、Data_lightシグナルラインで光子の流れを読み出すことができる。これらのPIN光センサの光感受性は、非常に良好であり、主に、外部のリードアウト増幅器に依存するだろう。十分に設計されたシステムにおいて、問い合わせモードで動かすと、数千の目に見える光子の光感受性を示すことができる。 An integrated photosensitive PIN diode D1 can be used to monitor well opacity. In order to read out the light level at the bottom of the well, the Row_pH_light_Select line can be turned on with the TFT M9 and the flow of photons can be read out with the Data_light signal line. The light sensitivity of these PIN light sensors is very good and will depend mainly on the external readout amplifier. In a well-designed system, moving in query mode can show the photosensitivity of thousands of visible photons.
音の検知は、圧電センサ(図4AでPiezoと表記される)およびバイアス電圧DBiasに接続したミキサーダイオードD2によって達成することができる。圧電トランスミッタ(図2Bの要素261および262を参照)は、音波(例えば、超音波)パルスを発し、このパルスが試験ウェル中の構造および/または他の材料と相互作用する。この相互作用は、構造および/または材料を通って、および/またはこれらの周囲を移動するにつれて、パルスの特徴を弱めるか、および/または他の様式で変える場合がある。圧電センサは、改質された音響パルスを検知し、応答して電気シグナルを作成する。
Sound detection can be achieved by a piezoelectric diode (denoted as Piezo in FIG. 4A) and a mixer diode D2 connected to a bias voltage DBias. Piezoelectric transmitters (see
データ獲得前に、圧電トランスデューサおよび/またはその他について存在する変化を、トランジスタM2を活性化することによってきれいにする。次いで、Rbias Waveform(Dbias)のDC成分が、特定の範囲のゲートでダイオードD2にバイアスをかけ、ダイオードD2の非線形の性質が、ミキサーとして作用する。これにより、Rbiasの正弦参照シグナルによる受信した超音波シグナルまたは相内および直角位相成分を90°シフトさせた参照シグナルを混合する。混合した後、得られた電流を、担体の周波数の時間よりも長い(例えば、整数倍の)時間経過に伴う受信機のキャパシタンスに対して積分する。この積分されたシグナルは、特定範囲のゲートでの環境の反射性についての情報を含むベース帯の受信したシグナルの実数部分および虚数部分に比例する。これらの相内(I)および直角位相(Q)の値は、Row_acoustic_selectが活性化されたとき、Data_acousticラインに読み出すことができる。 Prior to data acquisition, changes that exist for piezoelectric transducers and / or others are cleaned up by activating transistor M2. The DC component of Rbias Waveform (Dbias) then biases diode D2 with a specific range of gates, and the non-linear nature of diode D2 acts as a mixer. As a result, the received ultrasonic signal based on the sine reference signal of Rbias or the reference signal obtained by shifting the in-phase and quadrature components by 90 ° is mixed. After mixing, the resulting current is integrated over the receiver capacitance over time that is longer (eg, an integer multiple) than the time of the carrier frequency. This integrated signal is proportional to the real and imaginary parts of the received signal in the baseband that contains information about the reflectivity of the environment at a particular range of gates. These in-phase (I) and quadrature (Q) values can be read into the Data_acoustic line when Row_acoustic_select is activated.
音響センサを使用し、伝達された音響シグナルの周波数、相、および/または振幅を変え、得られた音波を音響センサで検知することによって、物質の音響インピーダンスを決定してもよい。ある実施において、伝達された音響シグナルの飛行時間を決定してもよい。 An acoustic sensor may be used to determine the acoustic impedance of the substance by changing the frequency, phase, and / or amplitude of the transmitted acoustic signal and sensing the resulting sound wave with the acoustic sensor. In some implementations, the time of flight of the transmitted acoustic signal may be determined.
本明細書に記載の実施形態に適用可能な音響検知に関するさらなる情報は、共同所有の米国特許出願公開第20130235698号に与えられる。 Further information regarding acoustic sensing applicable to the embodiments described herein is given in co-owned US Patent Application Publication No. 20130235698.
光学検知に使用される入射光源は、試験ウェルの上または下に配置されてもよく、制御されたスペクトル、パルス、幅、強度および/または視準を有する入射光を与えることができる。図4B〜4Dは、入射光を供給するために使用可能ないくつかの構成を示すが、他の構成も可能である。 The incident light source used for optical detection may be placed above or below the test well and can provide incident light having a controlled spectrum, pulse, width, intensity and / or collimation. 4B-4D show some configurations that can be used to provide incident light, other configurations are possible.
図4Bは、分析対象の物質411、412を含有する試験ウェル401、402を有する電子試験プレート400の一部を示す。背面420は、試験ウェル401、402の底部に沿って並ぶ。それぞれの試験ウェル411、412は、1つ以上の発光デバイス431、432(例えば、背面420の上に配置される光ダイオード)および1つ以上の光学センサ441、442に関連する。それぞれの発光デバイス431、432は、センサ選択回路によって、ピクセルまたはピクセル群のための光学検知を与えるための光学センサ441、442の選択と同期状態で電圧を加えることができる。例えば、分析対象の物質411は、発光デバイス431によって発せられる入射光451の少なくとも一部を反射するだろう。光学センサ441は、反射した光461を検知し、応答して電気シグナルを作成する。
FIG. 4B shows a portion of an
ある実施形態において、光学検知のための入射光源は、試験ウェルの上または下からの入射光を与える背面から分離した供給源を含んでいてもよい。例えば、ある構成において、入射光源は、図4Cおよび4Dに示されるように、試験ウェルの上に配置されていてもよい。入射光源は、ピクセル化された光(図4Cに示される)またはピクセル化されていない光(図4Dに示される)を与えてもよい。図4Cは、電子試験プレート450の試験ウェル408、409の上に配置された入射光源405を示す。この例において、光源405は、別個にオンオフが可能なアレイ発光デバイス407、408を用い、ピクセル化された光を与え、個々にそれぞれのウェル408、409に入射光を与える。分析対象の物質411は、入射光455の一部を遮断(吸収および/または反射)してもよい。発光デバイス407によって発せられる光455の少なくとも一部が、光学センサ441に伝達され、光学センサ441は伝達された光465を検知し、応答して電気シグナルを生成する。ある実施形態において、ピクセル化された光源は、デジタル光プロジェクタ(DLP)またはプロジェクタと鏡の組み合わせを用いて達成されてもよく、鏡は、プロジェクタからの光を反射し、特定の試験ウェルまたは試験ウェル群に向ける。鏡は、x方向および/またはy方向に沿って鏡を移動するように構成された移動機構に接続し、試験ウェルのための入射光を与えることができる。
In certain embodiments, the incident light source for optical detection may include a source separated from the back surface that provides incident light from above or below the test well. For example, in one configuration, the incident light source may be placed over the test well, as shown in FIGS. 4C and 4D. The incident light source may provide pixelated light (shown in FIG. 4C) or non-pixelated light (shown in FIG. 4D). FIG. 4C shows an incident
ある実施形態において、図4Dに示されるように、入射光が、1つ以上の発光デバイス417および導波管または光管416を備える光源415によって電子試験プレートに与えられてもよい。図4Dの例において、入射光源415は、試験ウェル403、404の上に配置される。発光デバイス417は、導波管416の1つ以上の入力縁で導波管416に光学的に接続する。発光デバイス417によって発せられる光419は、全反射(TIR)によって導波管416に沿って伝わる。場合により、導波管416は、くさび形であってもよく、または、試験ウェル403、404に向かって入射光457を抽出する抽出特徴418を含んでいてもよい。場合により、1つ以上の光学膜を導波管の上に堆積させ、入射光を平行にするか、または入射光の角度を変えてもよい。入射光457の少なくとも一部が、光学センサ441に伝達され、光学センサ441は伝達された光467を検知し、応答して電気シグナルを生成する。図4Dは、試験ウェルの上に配置された導波管を示しているが、代替的な構成において、導波管および発光デバイスは、試験ウェルの下、例えば、背面の上に配置されてもよい。
In certain embodiments, as shown in FIG. 4D, incident light may be provided to the electronic test plate by a
図5Aは、ある実施形態にかかる電子試験プレート500のブロック図である。電子試験プレート500は、試験ウェル511を有する試験プレート510を備えている。電子試験プレート500は、複数のセンサ521がそれぞれの試験ウェル511に関連するように、試験ウェル511に対して並んだセンサ521を備える背面520も有する。背面は、センサ選択回路522を備えており、例えば、TFTスイッチを含み、センサ選択回路522は並行したデータ出力のときに選択したセンサからのシグナルを与える。センサ選択回路は、行および列の選択ラインによって制御することができ、並行して複数のセンサシグナルに同時にアクセスしてもよい。
FIG. 5A is a block diagram of an
図5Bは、図5Aの試験プレート500とある観点で似ている電子試験プレート501のブロック図である。試験プレート501の背面530は、さらなる任意要素の特徴を備えている。電子試験プレート501は、さらに、選択したセンサのセンサシグナルを受信するように構成されたリードアウト回路523を備えている。リードアウト回路523は、場合により、センサシグナルを調整するように構成されるシグナル処理回路550、例えば、フィルタ、増幅器などを備えていてもよい。例えば、シグナル処理回路は、センサシグナルのシグナルノイズ比(SNR)を大きくするように構成された1つ以上の異なる増幅器を備えていてもよい。ある実施形態において、リードアウト回路は、アナログセンサシグナルをデジタルセンサシグナルに変換するように構成されたアナログデジタル変換器(ADC)524を備えていてもよい。場合により、リードアウト回路523は、メモリバッファ525にデジタルセンサシグナルを一時的に格納してもよい。ある実施において、背面530は、例えば、ホストプロセッサから受信した命令に従って、行と列の選択ラインを作成する選択制御回路526を備えている。電子試験プレート501は、ホストプロセッサからの命令を受信し、および/またはデジタルセンサシグナルをホストプロセッサに送信するように構成された通信回路527を備えている。例えば、ホストからの命令は、どのセンサにアクセスすべきか、および/またはアクセスの頻度に関する指示を含んでいてもよく、これらのパラメータおよび他のパラメータは、例えば、ホストプロセッサで駆動するユーザインターフェイスによって、使用者によって選択されてもよい。通信回路527およびホストプロセッサは、標準的なプロトコル、例えばUniversal Serial Bus、IEEE 1394、ISO/IEEE 11073または他の通信プロトコルによって、命令および/またはデータを通信するように構成されてもよい。
FIG. 5B is a block diagram of an
ある実施形態において、上述の1つ以上の電子試験プレート610を、図6のブロック図に示されるように試験システム600に組み込んでもよい。試験システム600は、電子試験プレート610の試験ウェルへと材料を分注し、および/または電子試験プレート610の試験ウェルから材料を抜き取るように構成された流体工学サブシステム620を備えている。ある構成において、流体工学サブシステムは、プリンタおよび/または試験ウェルに分析対象の物質を配置するように構成された他のデバイスを備えていてもよい。ある実施形態において、流体工学サブシステムは、制御部(例えば、ホストプロセッサ)の命令下、材料を自動的に分注し、および/または試験ウェルから材料を抜き取るように構成されたピペッター装置を備えていてもよい。
In some embodiments, one or more
流体工学サブシステムは、試験プレートの上に、浸漬コーティングによって試薬をウェルに投入するのを助けるように構成された機能性膜を含んでいてもよい。例えば、試験ウェルへのゲルおよび細胞の投入は、Au領域(上側および側面の壁)をPEG−チオールで不動態化することによって達成してもよい。これに代えて、またはこれに加えて、流体工学サブシステムは、分析対象の物質がウェルに接着するように構成された試験プレートの化学的または物理的な表面改質を含んでいてもよい。例えば、表面改質は、ウェルの底部をラミニンリッチゲルで活性化することを含んでいてもよい(4℃でゲル溶液に浸漬し、減圧下でスピンコーティングし、37℃で加熱し、細胞溶液にさらされる前に500μmのゲル層が得られる)。細胞を液体相のゲルに4℃で懸濁させ、次いで、ゲルコーティングされたウェルに接種する。ゲルを固化させた後、培地を加え、細胞を接着させる。培養48時間の前に非接着性の細胞を洗い流す。ゲル、細胞、細胞培地および/または化学誘引物質およびラベルの選択的な送達は、光学顕微鏡によって評価することができる。 The fluidics subsystem may include a functional membrane on the test plate configured to assist in loading reagents into the wells by dip coating. For example, loading gels and cells into test wells may be accomplished by passivating the Au region (upper and side walls) with PEG-thiol. Alternatively or in addition, the fluidics subsystem may include a chemical or physical surface modification of the test plate configured to allow the analyte to be adhered to the well. For example, surface modification may include activating the bottom of the well with a laminin rich gel (soaked in a gel solution at 4 ° C., spin-coated under reduced pressure, heated at 37 ° C., and cell solution A 500 μm gel layer is obtained before exposure to). Cells are suspended in a liquid phase gel at 4 ° C. and then seeded into gel-coated wells. After the gel is solidified, medium is added to allow the cells to adhere. Wash off non-adherent cells before 48 hours in culture. Selective delivery of gels, cells, cell culture media and / or chemoattractants and labels can be assessed by light microscopy.
ある構成において、試験プレートのための表面分子の設計は、試験プレート基材と、ピランハ溶液(過酸化水素/硫酸 2:5 v/v)とを70〜80℃で反応させるか、または、Nanostrip 2X(Cyantek、Fremont、CA)と室温で反応させ、窒素下で乾燥させることを含んでいてもよく、有機残渣が存在しないきれいな表面(例えば、金)と、ケイ素に対してほぼ10°の接触角を有するヒドロキシル層が得られる。第1に、金を、11−MUAおよび3−MPAのアルカンチオールの20mM混合物(1:10 v/v)で16時間改質し、自己整列した単一層(SAM)を生成し、次いで、これを30分間、30mM NHSと150mM EDACエステルの混合物にさらす。金の上にNHSを有する基材を、70%エタノールで15分間滅菌し、次いで、リン酸緩衝液(PBS)中、室温で、濃度0.1mg/mlの濃度でフィブロネクチンに45分間さらす。表面改質のそれぞれの工程の後、表面からゆるく結合した部分を除去するために、基材を元々の溶媒および脱イオン(DI)水でそれぞれすすいでもよい。結果として、固定されたフィブロネクチンは、丈夫な細胞接着剤の生体適合性の層を金の上に形成する。 In some configurations, the design of surface molecules for the test plate can be achieved by reacting the test plate substrate with a piranha solution (hydrogen peroxide / sulfuric acid 2: 5 v / v) at 70-80 ° C., or Nanostrip. Reacting with 2X (Cyantek, Fremont, CA) at room temperature and drying under nitrogen, clean surface (eg gold) free of organic residues and approximately 10 ° contact with silicon A cornered hydroxyl layer is obtained. First, gold was modified with a 20 mM mixture of 11-MUA and 3-MPA alkanethiols (1:10 v / v) for 16 hours to produce a self-aligned monolayer (SAM), which was then Is exposed to a mixture of 30 mM NHS and 150 mM EDAC ester for 30 minutes. The substrate with NHS on gold is sterilized with 70% ethanol for 15 minutes and then exposed to fibronectin for 45 minutes at a concentration of 0.1 mg / ml in phosphate buffer (PBS) at room temperature. After each step of surface modification, the substrate may be rinsed with the original solvent and deionized (DI) water, respectively, to remove loosely bound portions from the surface. As a result, the immobilized fibronectin forms a robust bioadhesive layer of cell adhesive on the gold.
ある構成において、それぞれのウェルに表面改質が行われ、ビトロネクチン、ラミニン、およびクラスター分類44(CD44)のタンパク質またはペプチド模倣物のような生体分子およびグリカン、グリコサミノグリカンおよび脂肪を保有するために細胞接着を促進する膜の化学生成によって、特定の領域で細胞の接着および細胞の接種を向上させる。センサ表面を、細胞外組織成分を用いて生物化学的に官能基化してもよく、または、物理的に変更し、標的とする様式で細胞の機能に影響を与える表面形状を作成してもよい。例えば、3Dゲルは、センサシグナルに影響を与える癌細胞の集合の中に侵襲性の細胞集合を多く含むヒアルロナン分子から作ることができる。ゲルの接着、細胞の機能、機械的な足場、究極的にはシグナルノイズ比のような多くのパラメータを向上させるために、ナノ材料(例えば、生物学的に標的とする部分を含むか、または含まない、ナノワイヤ、ナノ粒子、ナノチューブ、ナノロッド)を、試験プレートの表面および/または3Dゲルに使用してもよい。 In one configuration, each well is surface modified to carry biomolecules such as vitronectin, laminin, and cluster class 44 (CD44) protein or peptidomimetics and glycans, glycosaminoglycans and fats. Improve cell adhesion and cell inoculation in specific areas by chemical generation of membranes that promote cell adhesion. The sensor surface may be biochemically functionalized with extracellular tissue components, or may be physically modified to create a surface shape that affects cell function in a targeted manner. . For example, 3D gels can be made from hyaluronan molecules that are rich in invasive cell populations among the populations of cancer cells that affect sensor signals. To improve many parameters such as gel adhesion, cell function, mechanical scaffolding, ultimately signal-to-noise ratio, nanomaterials (eg, containing biologically targeted moieties, or No nanowires, nanoparticles, nanotubes, nanorods) may be used on the surface of the test plate and / or 3D gel.
ある実施形態において、ハイブリッドマトリックスを作成してもよい。これらのハイブリッドマトリックスは、ナノ材料および熱応答性3Dゲルのうち、少なくとも1つを含んでいてもよい。マトリックス成分を、特定の比率であらかじめ混合し、ピペット、経路またはプリンタノズルによって、それぞれのウェルに送達してもよい。または、マトリックス成分を、異なるノズルから送達し、それぞれのウェルで混合してもよい。流体工学サブシステムは、それぞれの細胞型のマトリックスの特性を変え、調整する能力を与えるように並べられてもよい。ある筋書きにおいて、機械的に丈夫な金属粒子または棒状物を加え、異なる細胞型のマトリックスの特性を調整してもよい。ある筋書きにおいて、ゲルをナノ材料とあらかじめ混合し、異なる特性を誘発してもよい。 In certain embodiments, a hybrid matrix may be created. These hybrid matrices may include at least one of nanomaterials and thermoresponsive 3D gels. Matrix components may be premixed at a specific ratio and delivered to each well by pipette, path or printer nozzle. Alternatively, the matrix components may be delivered from different nozzles and mixed in each well. The fluidics subsystems may be arranged to provide the ability to change and adjust the properties of the matrix of each cell type. In some scenarios, mechanically strong metal particles or rods may be added to adjust the properties of different cell type matrices. In one scenario, the gel may be premixed with the nanomaterial to induce different properties.
ある実施形態において、電子試験プレートおよび/または流体工学サブシステムの1つ以上が、ホストプロセッサ630と接続していてもよい。ある構成において、ホストプロセッサ630は、試験ウェルに向かう材料/試験ウェルからの材料の分注および/または抜き取りを制御することができ、検知される物質の特徴の種類および/または検知頻度を制御することができる。ある構成において、ホストプロセッサは、センサシグナルを分析し、プロセッサの出力(例えば、印刷することができるか、またはディスプレイに表示することができるレポートとしてフォーマットされる)を与えるように構成されてもよい。ホストプロセッサは、検知されたシグナルの2つ以上を合わせて分析してもよく、および/または1つの検知されたシグナルからの情報を使用し、別の検知されたシグナルを分析してもよい。
In certain embodiments, one or more of the electronic test plates and / or fluidics subsystems may be connected to the
ある筋書きにおいて、電子試験プレートは、センサシグナルの制御および/または分析の一部またはすべてを与えるように構成された電子回路(例えば、プロセッサ)を含んでいてもよい。他の実施形態において、電子試験プレートは、例えば、アナログ形態またはデジタル形態でセンサシグナルを、分析を行うための外部プロセッサに伝達してもよい。電子試験プレートは、データを伝達し、シグナルおよび/またはホストプロセッサへの他の情報/ホストプロセッサからの他の情報を制御するために、有線通信回路または無線通信回路を含むように構成されてもよい。 In some scenarios, the electronic test plate may include electronic circuitry (eg, a processor) configured to provide some or all of the sensor signal control and / or analysis. In other embodiments, the electronic test plate may transmit the sensor signal to an external processor for performing the analysis, for example, in analog or digital form. The electronic test plate may be configured to include wired or wireless communication circuitry to transmit data and control signals and / or other information to / from the host processor / other information from the host processor. Good.
プロセッサによるセンサシグナルの分析によって、分析対象の物質の1つ以上の特徴を含む出力が得られるだろう。物質の特徴の非限定的なセットとしては、横方向および垂直方向のインピーダンス、光学スペクトル、表現型の署名、化学署名、機能的な署名、音響署名、機械的な署名、生成した酸素、細胞の付着および拡散、細胞増殖、細胞のシグナル導入、毒性、細胞の電気穿孔、細胞の位置、細胞数、細胞の生存能力、細胞の剛性、マトリックス(ゲル)の剛性、細胞外のpH、運動度、横方向および/または垂直方向の物質移動、治療薬への応答、環境の課題への応答、および/または分析対象の細胞骨格に向けられた挙動が挙げられるだろう。 Analysis of the sensor signal by the processor will yield an output that includes one or more characteristics of the substance to be analyzed. Non-limiting sets of material features include lateral and vertical impedance, optical spectrum, phenotypic signature, chemical signature, functional signature, acoustic signature, mechanical signature, generated oxygen, cellular Attachment and diffusion, cell proliferation, cell signal transduction, toxicity, cell electroporation, cell location, cell number, cell viability, cell stiffness, matrix (gel) stiffness, extracellular pH, motility, There may be lateral and / or vertical mass transfer, response to therapeutic agents, response to environmental challenges, and / or behavior directed towards the cytoskeleton of interest.
プロセッサおよびデータ分析ソフトウエア、例えば、MatLab(迅速なプロトタイピング言語として)、主要成分の分析(伝統的なデータ分析方法として)、(例えば、細胞集合の)群間差の有意性を試験するためのANOVA、説明のための変数(時間、温度など)の関数として応答変数を予測するための線形回帰(例えば、インピーダンス)によるセンサシグナルの分析によって、分析対象の物質の1つ以上の特徴を含む出力が得られ、分析対象の物質の2つ以上の特徴の合計に等しくない新しい多様な様式の署名を捕捉することができるだろう。試験ウェルの数または連続的な監視時間を最大化したある実施形態において、データの高スループット分析によって、新しいパターンおよび署名を同定することができるだろう。 Processor and data analysis software, eg MatLab (as a rapid prototyping language), principal component analysis (as a traditional data analysis method), to test the significance of group differences (eg of cell populations) Analysis of sensor signals by linear regression (eg, impedance) to predict response variables as a function of explanatory variables (time, temperature, etc.), including one or more characteristics of the substance being analyzed An output will be obtained and a new variety of signatures could be captured that are not equal to the sum of two or more characteristics of the substance to be analyzed. In certain embodiments that maximize the number of test wells or continuous monitoring time, high-throughput analysis of the data could identify new patterns and signatures.
センサシグナルの分析によって、侵襲性、構造および成長による癌細胞コロニーの階級化が可能になり、正常な状態から転移性の癌疾患へと進行する署名を与えるか、または複数検出型センサの測定パネルからの物質の特徴を予測することができる。ある実施形態において、試験ウェルの一部またはすべては、薬物または毒物(例えば、環境毒、化学毒または生物学的な毒)のような検体にさらされ、この検体に対する細胞の応答を、連続的に、および/または並行して測定する。 Sensor signal analysis enables stratification of cancer cell colonies by invasiveness, structure and growth, giving a signature that progresses from normal to metastatic cancer disease, or multi-detector measurement panel The characteristics of the substance from can be predicted. In certain embodiments, some or all of the test wells are exposed to an analyte, such as a drug or toxicant (eg, environmental, chemical or biological venom), and the cellular response to the analyte is determined continuously. And / or in parallel.
ある実施形態において、センサシグナルの分析は、物質の光学スペクトルを決定することを含んでいてもよい。例えば、細胞または組織の成分を、試験ウェルに向かう入射光源をいくつかの波長(例えば、赤色、緑色および青色)に切り替え、光学応答を測定することによって、光学的に特性決定してもよい。例えば、分析される物質によって反射した光または分析される物質を通過した光の強度を、試験ウェルに関連する光学センサ(例えば、PIN光ダイオード)を用い、入射光の波長スペクトル全体にわたって測定してもよい。電子試験プレートの入射光源および光学センサを、これに加えて、またはこれに代えて使用し、物質による入射光源の光の吸収、伝達および/または反射に基づき、細胞の位置、移動および/または形態を測定してもよい。画像分析ツール(例えば、位置および/または縁のアルゴリズム)を、光ダイオードアレイ中の光ダイオードの出力に適用し、ウェル内の細胞の位置を決定してもよい。 In certain embodiments, analyzing the sensor signal may include determining an optical spectrum of the material. For example, a cell or tissue component may be optically characterized by switching the incident light source toward the test well to several wavelengths (eg, red, green and blue) and measuring the optical response. For example, the intensity of light reflected by the substance to be analyzed or passed through the substance to be analyzed can be measured over the entire wavelength spectrum of incident light using an optical sensor (eg, a PIN photodiode) associated with the test well. Also good. The incident light source and optical sensor of the electronic test plate are used in addition to or instead of, and based on the absorption, transmission and / or reflection of light of the incident light source by the substance, the position, movement and / or morphology of the cells May be measured. An image analysis tool (eg, position and / or edge algorithm) may be applied to the output of the photodiodes in the photodiode array to determine the position of the cells in the well.
試験ウェルに関連する1つ以上の光学センサからのシグナルを分析することによって、分析対象の物質によって吸収および/または反射する入射光の量に基づき、細胞の運動および/または形態を決定してもよい。これに加え、またはこれに代えて、物質の音響署名に基づき、細胞の運動および/または形態を決定してもよい。試験対象の物質の音響応答は、細胞の運動に伴って変化し、および/または細胞または組織の形態の変化に伴って変化する。音響応答は、音響シグナルの反射された強度、周波数および/または相を含んでいてもよく、これを使用し、測定対象の物質の機械特性、例えば、剛性、質量、細胞分布を導き出してもよい。 By analyzing the signal from one or more optical sensors associated with the test well, cell movement and / or morphology may be determined based on the amount of incident light absorbed and / or reflected by the analyte. Good. In addition or alternatively, cell movement and / or morphology may be determined based on the acoustic signature of the substance. The acoustic response of the substance under test changes with cell movement and / or changes with changes in cell or tissue morphology. The acoustic response may include the reflected intensity, frequency and / or phase of the acoustic signal and may be used to derive mechanical properties of the substance to be measured, eg stiffness, mass, cell distribution .
これに加えて、またはこれに代えて、インピーダンス検知に基づき、細胞の運動および/または細胞形態の変化を検出してもよい。ある実施において、複数のセンサを使用し、細胞の運動を検出してもよい。例えば、物質の音響、インピーダンス、および/または光学署名を、1つ以上の既知の署名またはすでに得られている署名と比較し、細胞の運動および/または形態の変化を決定してもよい。これに加えて、またはこれに代えて、顕微鏡画像を使用し、細胞の運動および形態を測定または確認してもよい。 In addition or alternatively, cell movement and / or changes in cell morphology may be detected based on impedance sensing. In some implementations, multiple sensors may be used to detect cell movement. For example, the acoustic, impedance, and / or optical signatures of a substance may be compared with one or more known signatures or signatures already obtained to determine changes in cell movement and / or morphology. In addition or alternatively, microscopic images may be used to measure or confirm cell movement and morphology.
細胞の生存能力は、例えば、物質のインピーダンス、形態および/または音響署名に基づいて決定されてもよい。細胞死が起こったら、細胞のインピーダンス、形態および音響署名が変化する。生存細胞の既知の署名を、後で採取した署名と比較し、細胞が生存したままであるか否か、またはどの程度の細胞が生存したままであるかを決定してもよい。 Cell viability may be determined based on, for example, the impedance, morphology and / or acoustic signature of the substance. When cell death occurs, the cell impedance, morphology, and acoustic signature change. The known signature of the surviving cells may be compared with a signature taken later to determine whether the cells remain viable or how many cells remain viable.
ある実施形態において、これに加えて、またはこれに代えて、試験プレートの化学物質センサを使用し、細胞の生存能力を決定してもよい。細胞のpHが正常な状態から7未満まで落ちたとき、細胞死が示されるだろう。これに加えて、またはこれに代えて、顕微鏡と共に、傷ついた細胞膜または損傷を受けた細胞膜のみを使うLIVE/DEAD Viability/Cytotoxicity cell−impermeant stainsを用い、細胞の生存能力を決定または確認してもよい。 In certain embodiments, in addition or alternatively, a test plate chemical sensor may be used to determine cell viability. Cell death will be indicated when the pH of the cell drops from normal to less than 7. In addition or alternatively, the ability to determine or confirm cell viability using a LIVE / DEAD Viability / Cytotoxicity cell-impertain stains that uses only damaged or damaged cell membranes with a microscope. Good.
運動性細胞の機械特性および/または形態は、細胞の特性および/または形態から区別することができ、これらの変化は、試験対象の物質の音響応答を分析することによって検出することができる。音響センサを使用することで、細胞コロニー位置の垂直方向および横方向の測定および細胞の垂直方向および横方向での移動の測定が可能になる。音響センサを並行して使用することで、細胞の機械特性、コロニーの垂直方向および横方向の位置、細胞の垂直方向および横方向での移動を高スループットで測定することができる。 The mechanical properties and / or morphology of motile cells can be distinguished from cellular properties and / or morphology, and these changes can be detected by analyzing the acoustic response of the substance under test. By using the acoustic sensor, it is possible to measure the vertical and lateral directions of the cell colony position and the movement of the cells in the vertical and lateral directions. By using acoustic sensors in parallel, the mechanical properties of the cells, the vertical and lateral positions of the colonies, and the movement of the cells in the vertical and lateral directions can be measured with high throughput.
プロセッサは、1つの観点のみが異なる隣接するウェルからのシグナルを比較するように構成されていてもよい。このような分析は、共通の態様のノイズ拒絶を高いレベルで可能にする差示的な情報を与えることができる。例えば、種々のインターフェイスからの音響エコーは、細胞の存在または非存在という点のみが異なるウェルから誘導されるシグナルから正確に引き算することができる。壁からの反射などは、一般的に、2つのウェルに共通であり、引き算することができる。同様の様式で、異なる時間に採取した同じウェルからのシグナルを互いに引き算し、時間変化の観点のみを与えることができる。 The processor may be configured to compare signals from adjacent wells that differ only in one aspect. Such an analysis can provide differential information that allows a high level of common aspects of noise rejection. For example, acoustic echoes from various interfaces can be accurately subtracted from signals derived from different wells only in the presence or absence of cells. Reflection from the wall is generally common to the two wells and can be subtracted. In a similar manner, signals from the same well taken at different times can be subtracted from each other, giving only a time-change perspective.
ある実施形態は、大きな(例えば、直径5mmの)試験ウェルを使用し、大量の複数検知型のピクセルを利用することを含む。直径が大きなウェルと、多くのピクセルを使用すると、細胞の位置、生存能力および/または他の特徴を抽出するために多くの署名が得られる。細胞の位置、生存能力および/または他の特徴は、既知の初期数(例えば、20K、10Kおよび5Kウェル)および既知の生存能力(例えば、ウェルあたり85%を超える)で較正されてもよい。横方向および垂直方向の運動度は、24時間培養した後に、光学測定、音響測定、および電気インピーダンス測定からのデータを合成することによって、所定の距離で測定されてもよい。運動度指数は、光学顕微鏡の測定との相関関係によって、確認し、または精度を上げたこれらの測定結果から決定してもよい。 Some embodiments include using large (eg, 5 mm diameter) test wells and utilizing large numbers of multi-sensing pixels. Using large diameter wells and many pixels yields many signatures to extract cell location, viability and / or other features. Cell location, viability and / or other characteristics may be calibrated with a known initial number (eg, 20K, 10K and 5K wells) and known viability (eg, greater than 85% per well). Lateral and vertical motility may be measured at a predetermined distance by combining the data from optical, acoustic and electrical impedance measurements after 24 hours of incubation. The motility index may be confirmed or determined from these measurement results with increased accuracy according to the correlation with the measurement of the optical microscope.
表現型の署名は、細胞の特定の形態および機能の精巧さをもたらす遺伝子およびタンパク質の発現を伴う複数の細胞内プロセスの集合である。表現型の署名は、細胞の形態、細胞の3D構造および運動度に基づき、電子試験プレートのセンサを用いて決定することができる。 A phenotypic signature is a collection of multiple intracellular processes that involve the expression of genes and proteins that result in the sophistication of specific morphology and function of the cell. The phenotypic signature can be determined using electronic test plate sensors based on cell morphology, cell 3D structure and motility.
ある実施形態において、1つ以上の電子試験プレート、流体工学サブシステムおよび/または分注可能な材料を、制御された試験環境を与えるインキュベータ640(例えば、携帯用インキュベータ)に入れてもよい。ある構成において、並行したリアルタイム検知および表現型決定は、図7に示されるシステムを用いて実行することができる。インキュベータ640の環境パラメータは、ホストプロセッサ630によって制御され、行われる試験に合わせた環境を与えてもよい。
In certain embodiments, one or more electronic test plates, fluidics subsystems, and / or dispenseable materials may be placed in an incubator 640 (eg, a portable incubator) that provides a controlled test environment. In one configuration, parallel real-time detection and phenotyping can be performed using the system shown in FIG. The environmental parameters of the
図7は、ある実施形態にかかる方法を示すフロー図である。分析対象の物質の複数の特徴は、複数のセンサが、物質が入っている試験プレートのそれぞれのウェルに関連するように並べられた複数のセンサを用い、時間経過に伴って検知することである(710)。ウェルに関連する複数のセンサの少なくとも1つが、試験ウェルと関連する複数のセンサの別のものによって検知される特徴とは異なる物質の特徴を検知するように構成される。電気センサシグナルは、検知された特徴に基づいて作られる(720)。選択ラインを活性化し(730)、選択したセンサのセンサシグナルが、データ出力で与えられる(740)ように、1つ以上の選択したセンサのシグナルにアクセスする。ある実施形態によれば、センサシグナルを与えることは、並行したデータバスに同時にセンサシグナルを与えることを含む。図7に概説した方法を用い、試験プロトコル中、実質的に連続して物質を監視してもよい。 FIG. 7 is a flow diagram illustrating a method according to an embodiment. The multiple characteristics of the substance to be analyzed is that multiple sensors detect over time using multiple sensors arranged in association with each well of the test plate containing the substance. (710). At least one of the plurality of sensors associated with the well is configured to detect a characteristic of the material that is different from a characteristic detected by another of the plurality of sensors associated with the test well. An electrical sensor signal is generated based on the sensed feature (720). Activate the selection line (730) and access the signal of one or more selected sensors such that the sensor signal of the selected sensor is provided at the data output (740). According to certain embodiments, providing sensor signals includes providing sensor signals simultaneously on parallel data buses. Substances may be monitored substantially continuously during the test protocol using the method outlined in FIG.
ある実施形態において、センサシグナルは、フィルタリングおよび/または増幅によって調整することができる。増幅器を使用してセンサシグナルを調整する場合、増幅されたセンサシグナルのシグナルノイズ比を高めるような共通の態様の拒絶を与える差示的な増幅器を使用することが有用であろう。上述のように、物質の複数の特徴を検知することは、複数の次元で少なくとも1つの特徴を検知することを含んでいてもよい。 In certain embodiments, the sensor signal can be adjusted by filtering and / or amplification. When using an amplifier to tune the sensor signal, it may be useful to use a differential amplifier that provides a common mode of rejection that increases the signal to noise ratio of the amplified sensor signal. As described above, detecting a plurality of features of a substance may include detecting at least one feature in a plurality of dimensions.
Claims (10)
複数のウェルを有し、それぞれのウェルが、分析対象の物質を含むように構成された試験プレートと、
前記物質の特徴を検知し、検知された特徴に基づいてセンサシグナルを作成するように構成され、複数のセンサがそれぞれのウェルと関連するように並べられ、前記複数のセンサの少なくとも1つのセンサが、前記複数のセンサの別のセンサによって検知される特徴とは異なる物質の特徴を検知するように構成されたセンサと、
前記センサに接続し、前記試験プレートに沿って配置された背面の上に並べられ、選択したセンサのセンサシグナルがデータ出力でアクセスすることができるように構成されたセンサ選択回路とを備える、デバイス。 A device,
A test plate having a plurality of wells, each well configured to contain a substance to be analyzed;
Configured to detect a characteristic of the substance and generate a sensor signal based on the detected characteristic, wherein a plurality of sensors are arranged to be associated with respective wells, and at least one sensor of the plurality of sensors is A sensor configured to detect a characteristic of a substance that is different from a characteristic detected by another sensor of the plurality of sensors;
A sensor selection circuit connected to the sensor and arranged on a back surface disposed along the test plate and configured to allow a sensor signal of the selected sensor to be accessed at a data output. .
複数のウェルを有し、それぞれのウェルが、分析対象の物質を含むように構成された試験プレートと、
前記物質の特徴を検知し、検知された特徴に基づいてセンサシグナルを作成するように構成され、複数のセンサがそれぞれのウェルと関連するように並べられ、前記複数のセンサの少なくとも1つのセンサが、前記複数のセンサの別のセンサによって検知される特徴とは異なる物質の特徴を検知するように構成されたセンサと、
前記センサに接続し、前記試験プレートに沿って配置された背面の上に並べられ、選択したセンサのセンサシグナルがデータ出力でアクセスすることができるように構成されたセンサ選択回路と、
前記データ出力に存在する前記選択したセンサシグナルを受信し、処理するように構成されたリードアウト回路とを備える、システム。 A system,
A test plate having a plurality of wells, each well configured to contain a substance to be analyzed;
Configured to detect a characteristic of the substance and generate a sensor signal based on the detected characteristic, wherein a plurality of sensors are arranged to be associated with respective wells, and at least one sensor of the plurality of sensors is A sensor configured to detect a characteristic of a substance that is different from a characteristic detected by another sensor of the plurality of sensors;
A sensor selection circuit connected to the sensor and arranged on a back surface disposed along the test plate and configured to allow a sensor signal of the selected sensor to be accessed at a data output;
A readout circuit configured to receive and process the selected sensor signal present in the data output.
複数のウェルを有し、それぞれのウェルが、分析対象の物質を含むように構成された試験プレートを作成することと、
前記物質の特徴を検知し、検知された特徴に基づいてセンサシグナルを作成するように構成された複数のセンサを製造することと、
前記センサに接続し、選択したセンサのセンサシグナルがデータ出力でアクセスすることができるように構成されたセンサ選択回路を製造することと、
複数のセンサがそれぞれのウェルと関連するように前記ウェルに対して前記センサを並べことであって、前記複数のセンサのそれぞれが、前記複数のセンサの別のセンサによって検知される特徴とは異なる物質の特徴を検知するように構成されたウェルと関連する、並べることとを含む、方法。 A method of manufacturing a device comprising:
Creating a test plate having a plurality of wells, each well configured to contain a substance to be analyzed;
Manufacturing a plurality of sensors configured to detect characteristics of the substance and create a sensor signal based on the detected characteristics;
Manufacturing a sensor selection circuit connected to the sensor and configured to allow a sensor signal of the selected sensor to be accessed with a data output;
Arranging the sensors relative to the well such that a plurality of sensors are associated with each well, each of the plurality of sensors being different from a feature detected by another sensor of the plurality of sensors. Aligning associated with a well configured to sense a characteristic of the material.
検知された特徴に基づいてセンサシグナルを作成することと、
アドレスラインを活性化し、選択したセンサのセンサシグナルをデータ出力でアクセス可能にすることとを含む、方法。 Using a plurality of sensors associated with each well to detect a plurality of characteristics of a substance to be analyzed disposed in a well of a test plate over time, wherein at least one of the plurality of sensors is Detecting, configured to detect a characteristic of the substance that is different from a characteristic detected by another of the plurality of sensors;
Creating a sensor signal based on the detected feature;
Activating the address line and making the sensor signal of the selected sensor accessible at the data output.
複数のウェルを有し、それぞれのウェルが分析対象の物質を含む、試験プレートと、
それぞれのウェルに接続した音響センサとを備える、デバイス。 A device,
A test plate having a plurality of wells, each well containing a substance to be analyzed;
A device comprising an acoustic sensor connected to each well.
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